一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法技术

一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，首先用活性焦、导电剂及PTFE制备催化膜，其次用Na

【技术实现步骤摘要】
一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法
本专利技术属于绿色氧化剂过氧化氢电化学合成及污水处理领域，具体涉及一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法。
技术介绍
过氧化氢(过氧化氢)是世界上100种最重要的化学品之一，广泛应用于化学合成、环境修复(如废水处理、土壤修复、气体净化)、医疗消毒、半导体清洗，甚至可作为过氧化氢燃料电池的潜在能量载体。根据全球工业分析师公司的一份报告，到2024年，全球过氧化氢的年消耗量预计将达到600万公吨。目前，全球95％以上的过氧化氢生产是通过多步蒽醌氧化法(AO)生产。然而，AO工艺需要大量的基础设施和密集的能源投入，并且只能在集中的工厂中进行。实际上，较低浓度的过氧化氢已能满足各种各样的应用。例如，纸浆漂白、医疗消毒和化妆品用途仅要求过氧化氢浓度<9wt％，对于废水处理，仅<0.1wt％就足够了。当前，各种小规模、可分布式生产过氧化氢的技术，正被不断开发，如H2和O2直接合成法、光催化法、O2电还原法等。其中，O2电还原法因具有安全高效、条件温和等特点，是一种很有前途的替代途径。该方法也是多种后端技术的关键，如电-Fenton技术、电-Peroxone技术、锌-空气电池技术、微生物燃料电池技术等。开发经济、高效、高选择性、高活性、高稳定性的电催化剂是实现过氧化氢高效电化学生产的关键。贵金属和合金(如Pt、Pd-Hg、Pt-Hg、Ag-Hg)虽被证明具有优异的催化性能，但成本高、无法规模化应用。碳质电催化剂因其无毒、导电、耐化学和高度可调特性而受到特别关注。目前，除了石墨毡、碳毡、碳气凝胶、网状玻璃碳等常用的碳材料外，其它高效的非常规纳米碳电催化剂如氧化处理的碳纳米管、还原石墨烯氧化物、硼氮共掺杂纳米碳、Fe-O-C、Co-N-C、富含边缘缺陷的纳米碳等，均被报道具有极高的O2电还原活性和选择性。这些开创性的研究表明，缺陷位(如O掺杂位、边缘位)以及与过渡金属的配位可以显著提高反应活性，并使反应途径转向过氧化氢的形成。然而，考虑到纳米碳电催化剂的制备相对复杂，这些材料的规模化应用仍为挑战。开发具有上述性能的商用碳催化剂是更可取的策略，即使其电合成过氧化氢的性能略差。另一方面，电催化剂合成过氧化氢的动力学特性，还受到室温和压力下(约8mg/L)水溶液中氧溶解度较低的限制。为解决这一制约，气体扩散电极(GDEs)结构被提出。该电极内部可形成一个气-液-固界面，允许氧气从外部提供到催化剂表面而不需要在电解液中溶解。最近的各种研究都通过使用GDEs获得了较高的过氧化氢合成性能。考虑到O2电还原法生产过氧化氢的大规模应用很大程度上取决于电极材料的成本和电极结构，探索低成本的工程材料及其在过氧化氢生产中的适用性，有望实现催化性能和经济性之间的平衡。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决传统蒽醌法制备过氧化氢过程存在能耗高、污染大，且合成的高浓度过氧化氢在运输途中存在爆炸风险，以及基于O2电还原合成过氧化氢工艺中溶解氧浓度限制过氧化氢合成性能，但新发展的高性能气体扩散电极多使用成本较高、难以规模化制备的碳材料的问题，提供一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，所述方法具体步骤为：步骤一：称取粒径在80～100目的活性焦粉末，并与乙炔黑混合，控制混合物中活性焦粉末的质量百分比为10～90％，然后加入95％乙醇及60％PTFE乳液，在80℃水浴条件下搅拌至糊团状；所述混合物、乙醇和PTFE乳液的混合比例为0.5～2g：0.5～2mL：50～200μL；步骤二：将混合物研磨成厚度为0.5～1mm的薄片，用作催化膜；步骤三：取研细后的Na2SO4于烧杯中，并与95％乙醇及60wt％PTFE乳液混合，反复研磨成厚度为0.5mm的薄片，用作防水透气层；所述Na2SO4、乙醇和PTFE乳液的混合比例为50～200mg：0.5～2mL：0.5～2mL；步骤四：将防水透气层、催化膜、不锈钢网分别裁剪成直径为2～5cm的圆片，并按顺序在室温条件下在20～50MPa压力下压成电极；步骤五：将电极在沸水中煮至无SO42-，将压制的电极片固定在上端留有进气口的空心圆柱筒中，作为气体扩散阴极；步骤六：将气体扩散阴极与阳极组装入电解槽中，保持电解液处于搅拌状态，并保持气体扩散阴极上端进气口以100～500mL/min的流量通入空气或氧气，使电解槽在恒压或恒流模式下运行合成过氧化氢。本专利技术相对于现有技术的有益效果为：针对气体扩散电极使用的催化剂材料存在成本高、难规模化利用的问题，利用廉价的活性焦为碳基催化材料，制备高性能活性焦基气体扩散电极。本专利技术具有材料廉价、制备流程简单、易规模化等优势。附图说明图1为不同电流大小条件下活性焦基气体扩散电极合成过氧化氢的产量对比图；图2为不同电解液pH条件下活性焦基气体扩散电极合成过氧化氢的产量对比图；图3为不同O2流量条件下活性焦基气体扩散电极合成过氧化氢的产量对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。活性焦是一种可工业化大规模生产的碳材料，已成功用于烟气脱硫技术，获得超过95％的效率。活性焦具有强度高、催化活性好、抗氧化性强、孔结构发达等特点。以下性质使其有望成为生产过氧化氢的催化材料：(1)导电性。活性焦的碳含量大于95％，以非晶态碳的形式存在；(2)富含氧官能团。可作为氧还原的活性位点从而提高其催化活性；(3)孔隙结构发达。多孔结构可暴露更多的反应活性位点，显著影响物质传递。若能利用已规模化应用的活性焦作为催化材料，并将其组装成高性能的气体扩散电极，则有望实现过氧化氢的低成本高效合成。本专利技术以活性焦为催化材料，将其磨成细粉后与导电剂、粘结剂制成催化膜；以造孔剂Na2SO4和PTFE制成防水透气层；将防水透气层、催化膜、不锈钢网按顺序冷压并制成气体扩散电极。将该气体扩散电极与阳极组装在电解槽中，在恒电流或恒电位模式下供电，可在体系内持续电合成过氧化氢。具体实施方式一：本实施方式记载的是一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，利用廉价活性焦为碳基催化剂，制备气体扩散电极，高效电合成过氧化氢，所述方法具体步骤为：步骤一：称取粒径在80～100目的活性焦粉末，并与乙炔黑混合，控制混合物中活性焦粉末的质量百分比为10～90％，然后加入95％乙醇及60％PTFE乳液，在80℃水浴条件下搅拌至糊团状；所述混合物、乙醇和PTFE乳液的混合比例为0.5～2g：0.5～2mL：50～200μL；步骤二：用玛瑙研钵将混合物研磨成厚度为0.5～1mm的薄片，用作催化膜；步骤三：取研细后的Na2SO4于烧杯中，并与95％乙醇及60wt％PT本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，其特征在于：所述方法具体步骤为：/n步骤一：称取粒径在80～100目的活性焦粉末，并与乙炔黑混合，控制混合物中活性焦粉末的质量百分比为10～90％，然后加入95％乙醇及60％PTFE乳液，在80℃水浴条件下搅拌至糊团状；所述混合物、乙醇和PTFE乳液的混合比例为0.5～2g：0.5～2mL：50～200μL；/n步骤二：将混合物研磨成厚度为0.5～1mm的薄片，用作催化膜；/n步骤三：取研细后的Na

【技术特征摘要】
1.一种利用活性焦基气体扩散电极电合成过氧化氢的方法，其特征在于：所述方法具体步骤为：
步骤一：称取粒径在80～100目的活性焦粉末，并与乙炔黑混合，控制混合物中活性焦粉末的质量百分比为10～90％，然后加入95％乙醇及60％PTFE乳液，在80℃水浴条件下搅拌至糊团状；所述混合物、乙醇和PTFE乳液的混合比例为0.5～2g：0.5～2mL：50～200μL；
步骤二：将混合物研磨成厚度为0.5～1mm的薄片，用作催化膜；
步骤三：取研细后的Na2SO4于烧杯中，并与95％乙醇及60wt％PTFE乳液混合，反复研磨成厚度为0.5mm的薄片，用作防水透气层；所述Na2SO4、乙醇和PTFE乳液的混合比例为50～200mg：0.5～2mL：0.5～2mL；
步骤四：将防水透气层、催化膜、不锈钢网分别裁剪成直径为2～5cm的圆片，并按顺序在室温条件下在20～50MPa压力下压成电极；
步骤五：将电极在沸水中煮至无SO42-，将压制的电极片固定在上端留有进气口的空心圆柱筒中，作为气体扩散阴极；
步骤六：将气体扩散阴极与阳极组装入电解槽中...

【专利技术属性】
技术研发人员：周伟，孟晓晓，高继慧，孙飞，赵广播，秦裕琨，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23